(57)【要約】      （修正有）【課題】エンジンを構成するクランクピンに付与される爆発荷重に基づく応力を分散させることが可能なクランクシャフトを提供する。【解決手段】第１クランクピン２０のスラスト受け部の外周縁４０ａと、クランクジャーナルのスラスト受け部の外周縁４２ａとの間でクランクジャーナルの軸線Ｂを通過する仮想線Ａを想定する。前記軸線Ｂと仮想線Ａとの間で第１クランクアーム１２に薄肉部５０を形成し、この薄肉部５０は第１クランクアーム１２の第１クランクピン２０の軸線Ｃに直交する方向で第１クランクアーム１２の全幅にわたって延在する。第１クランクピン２０に負荷される応力は前記薄肉部５０の存在によって第１クランクアーム１２が撓み、当該応力が分散される。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
コンロッドを軸支するクランクピンと、クランクジャーナルと、前記クランクピンと前記クランクジャーナルの間を連結するクランクアームを有するクランクシャフトであって、
前記クランクアームには、前記クランクピンとの連結部に前記クランクピンの外周に沿い、前記クランクピンと同芯円状のスラスト受け部が設けられ、
前記クランクアームの前記クランクピン側面に前記クランクジャーナル側へ窪んだ薄肉部が形成され、
前記薄肉部は少なくとも前記クランクピンのスラスト受け部外周縁と前記クランクジャーナルのスラスト受け部の外周縁をつなぐ直線内のクランクアーム側に窪んで設けられることを特徴とするクランクシャフト。
【請求項２】
請求項１記載のクランクシャフトにおいて、
前記薄肉部が前記クランクアームの前記クランクピン軸線と直交する方向の全幅にわたって設けられることを特徴とするクランクシャフト。
【請求項３】
請求項１又は２記載のクランクシャフトにおいて、
前記クランクアームに連設してカウンターウエイトが一体的に設けられ、前記カウンターウエイトに該カウンターウエイトを横断する肉抜き部を設けることを特徴とするクランクシャフト。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、クランクシャフトに関し、一層詳細には、内燃機関を構成するピストンの往復動作によって加えられる荷重を局部的に集中させることなく、その応力を分散することを可能にしたクランクシャフトに関する。
【背景技術】
【０００２】
内燃機関を構成するクランクシャフトは、コンロッドを介してピストンの往復動作を回転運動に変換する。クランクシャフトは、クランクピンとこのクランクピンの両端部に設けられるクランクアームと、前記クランクピンの軸芯に対して偏芯してクランクアームの外側に設けられるクランクジャーナルとを有する。この場合、クランクアームにはカウンターウエイトが設けられるが、それを備えないものもある。
【０００３】
この種のクランクシャフトを示す従来技術として、特許文献１をここに掲げる。特許文献１は、特公昭６０−５６４号公報であって、「エンジンクランク軸の構造」を開示する。この特許文献１のエンジンクランク軸では、クランク軸芯と同芯状のジャーナル１に２個一対のクランクアーム２、２を連設すると共に、該一対のクランクアーム２、２同士をクランクピン３で連結し、前記クランクアーム２、２のそれぞれにバランスウエイト４を連設し、それらを鋳造によって一体成形してなるものである。特に、この特許文献１の発明では、クランクピン３とクランクアーム２の連結箇所に凹入部７を形成して、その凹入部７によって前記連結箇所近くのクランクアーム２に対する引張り応力の集中を緩和させるようにしている（特許文献１第２欄第１４行乃至同第３欄第８行）。
【０００４】
しかしながら、この特許文献１に記載のエンジンクランク軸の構造では、ピストンの往復動作がコンロッドを介してクランクピン３に伝達され、クランクピン３にエンジンの爆発荷重が加わると、前記クランクピン３が撓み、そのクランクピン３の付け根に設けられている凹入部７、７に応力が集中するという問題が露呈している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特公昭６０−５６４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、前記の不都合を克服するためになされたものであって、クランクピンの両端部に設けられるクランクアームに薄肉部を形成し、この薄肉部によってピストンの爆発荷重がクランクピンに加わった場合であっても、前記薄肉部の存在によって、クランクアームが撓むことにより応力を分散させ、このためにクランクピンとクランクアームの連結部に曲げ応力と捻り応力の両方の応力集中が発生することを回避することが可能なクランクシャフトを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
前記の目的を達成するために、本願の請求項１で特定される発明は、コンロッドを軸支するクランクピンと、クランクジャーナルと、前記クランクピンと前記クランクジャーナルの間を連結するクランクアームを有するクランクシャフトであって、前記クランクアームには、前記クランクピンとの連結部に前記クランクピンの外周に沿い、前記クランクピンと同芯円状のスラスト受け部が設けられ、前記クランクアームの前記クランクピン側面に前記クランクジャーナル側へ窪んだ薄肉部が形成され、前記薄肉部は少なくとも前記クランクピンのスラスト受け部外周縁と前記クランクジャーナルのスラスト受け部の外周縁をつなぐ直線内のクランクアーム側に窪んで設けられることを特徴とする。
【０００８】
請求項１で特定される発明によれば、ピストンの往復動作によってクランクピンに荷重が加わった際に、クランクアームに設けられた薄肉部によって、クランクアーム自体が撓むことにより応力を分散させることが可能となり、これによってクランクピンとクランクアームの間に発生する曲げ応力と捻り応力の二つの応力の集中を回避することができる。これによって、クランクピンの長寿命化が図れると共に、信頼性の高いクランクシャフトを得ることができる。
【０００９】
また、請求項２で特定される発明は、請求項１記載のクランクシャフトにおいて、前記薄肉部が前記クランクアームの前記クランクピン軸線と直交する方向の全幅にわたって設けられることを特徴とする。
【００１０】
請求項２で特定される発明によれば、鍛造成形が可能となるために、一層の製造コストの低減が図られる効果を奏する。
【００１１】
また、請求項３で特定される発明は、請求項１又は２記載のクランクシャフトにおいて、前記クランクアームに連設してカウンターウエイトが一体的に設けられ、前記カウンターウエイトに該カウンターウエイトを横断する肉抜き部を設けることを特徴とする。
【００１２】
請求項３で特定される発明によれば、ピストンの往復動作によってクランクピンに荷重が加わった際に、クランクアームに設けられた薄肉部によって応力を分散させるとともにカウンターウエイトも応力の分散に資する。さらに、重量も軽減する。
【発明の効果】
【００１３】
クランクピンにエンジンの爆発荷重の如き応力が負荷された場合であっても、前記クランクアームに設けられた薄肉部が撓むことによって応力を分散させることができる。すなわち、クランクピンとクランクアームとの連結部に曲げ応力と捻り応力が加わることなく、応力の集中を惹起することを回避できる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】図１は、本実施の形態に係るクランクシャフトの正面図である。
【図２】図２は、図１におけるＩＩ−ＩＩ線断面図である。
【図３】図３は、クランクピンとクランクアームのスラスト受け部間で薄肉部が形成される状態の一部省略正面図である。
【図４】図４は、図１のＩＶ−ＩＶ線断面図である。
【図５】図５は、カウンターウエイトのないクランクアームに薄肉部が形成された状態の一部省略正面図である。
【図６】図６は、クランクアームに設けられる薄肉部の高さと深さを示す一部省略正面説明図である。
【図７】図７は、薄肉部における高さを基準とする応力比を示すグラフである。
【図８】図８は、薄肉部における深さを基準とする応力比を示すグラフである。
【図９】図９は、薄肉部における幅を基準とする応力比を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
次に、本発明に係るクランクシャフトについて、好適な実施形態を例示し、添付の図面を参照しながら、以下詳細に説明する。
【００１６】
図１は、本実施の形態に係るクランクシャフトの正面図、また、図２は図１におけるＩＩ−ＩＩ線断面図である。
【００１７】
本実施の形態に係るクランクシャフト１０は、第１クランクアーム１２と、この第１クランクアーム１２に所定間隔離間して対向配設される第２クランクアーム１４とを有し、第１クランクアーム１２には、第１カウンターウエイト１６が一体的に形成され、また、第２クランクアーム１４には、第２カウンターウエイト１８が一体的に形成される。第１クランクアーム１２と第２クランクアーム１４の間に第１クランクピン２０が設けられる。前記第１クランクピン２０の軸芯に変位して、クランクジャーナル２２が設けられ、クランクジャーナル２２には第３クランクアーム２４が連設されると共に、第４クランクアーム２６との間で、第２クランクピン２８が設けられている。以下同様にして、エンジンの気筒数に応じてクランクジャーナル、クランクアーム、クランクピンの順でフロント側からミッション側へと延在し、クランクシャフト１０が構成されることになる。
【００１８】
ところで、前記のような構成において、第１クランクアーム１２と第１クランクピン２０との間、及び該第１クランクピン２０と第２クランクアーム１４との間に第１スラスト受け部４０が形成される。図１から容易に了解されるように、前記第１スラスト受け部４０は、第１クランクピン２０の軸芯と直交する平面状に形成される。この第１スラスト受け部４０は、図示しないコンロッドの大径部のスラスト方向の変位を受容するものであって、図２に示されるとおり、第１クランクピン２０の軸芯と同芯状の略真円状である。
【００１９】
一方、前記第１クランクアーム１２の外側面には、クランクジャーナル２２と同芯で第２スラスト受け部４２が形成される。図示しないジャーナル軸受を受容するためのものである。前記第２スラスト受け部４２は、クランクジャーナル２２の軸芯と直交する平面状に形成される。第２スラスト受け部４２は、クランクジャーナル２２と同芯の略真円状である。
【００２０】
以上のような構成において、第１スラスト受け部４０の外周縁４０ａと第２スラスト受け部４２の外周縁４２ａとの間に仮想線Ａを引く（図３参照）。そして、この仮想線Ａとクランクジャーナル２２の軸線Ｂの中にあって、前記第１クランクアーム１２側に薄肉部５０を設ける。薄肉部５０は、前記外周縁４０ａが終端して軸線Ｂに直交する平面４０ｂの端縁から前記第１クランクアーム１２側に湾曲して窪み、前記平面４０ｂと平行な平面１２ｂに連なっている。前記薄肉部５０は、図２から容易に了解されるように、第１スラスト受け部４０の外周縁４０ａにその直線状の上端部５０ａが限りなく近く、場合によっては、前記第１スラスト受け部４０の外周縁４０ａの接線であってもよい。以上の構成からすれば、前記平面４０ｂ、薄肉部５０、平面１２ｂによって、後述するように応力分散のための断面階段状の形状が形成される。
【００２１】
一方、薄肉部５０の下端部５０ｂは、直線状であって、クランクジャーナル２２の軸線Ｂよりも若干第１クランクピン２０側に偏移している。すなわち、上端部５０ａから下端部５０ｂに至る薄肉部５０は、第１クランクアーム１２を第１クランクピン２０の軸線と直交する方向で横断していることが容易に了解されよう。なお、前記第１クランクアーム１２において、薄肉部５０を構成する上端部５０ａの両側に切欠部５２ａ、５２ｂを設けておく。軽量化のためである。
【００２２】
この場合、第１クランクアーム１２には、第１カウンターウエイト１６が一体的に形成されている。従って、本実施の形態では、この第１クランクアーム１２の薄肉部５０を形成する下端部５０ｂから、図２において下方へと延在する肉抜き部６０を形成する。実際、肉抜き部６０は第１クランクアーム１２の一部からクランクジャーナル２２の軸線Ｂを通過して、さらに第１カウンターウエイト１６の上部側へと大きく抉られた形状を備える。第２クランクアーム１４にも第１クランクアーム１２と同様に薄肉部５０を形成するとともに、この薄肉部５０に連設されて、肉抜き部６０が形成される。肉抜き部６０の下端部６０ｂは、前記薄肉部５０の下端部５０ｂと平行である。なお、肉抜き部６０の上端部６０ａは、薄肉部５０の下端部５０ｂと重複している。
【００２３】
ここで、図１に示すように、第３クランクアーム２４や、第４クランクアーム２６には、前記のような第１カウンターウエイト１６や第２カウンターウエイト１８が設けられていない。従って、これらには、肉抜き部６０を設けてはいない。すなわち、薄肉部５０のみが設けられる。これを図４に示す。
【００２４】
図４において、図１、図２の構成要素と同一の構成要素には同一の参照符号を付し、その詳細な説明を省略し、他の図においても以下同様とする。なお、参照符号Ｃは第１クランクピン２０の軸線を示す。
【００２５】
本実施の形態に係るクランクシャフト１０は基本的には以上のように構成されるものであり、次にその動作並びに作用効果について説明する。
【００２６】
図示しないエンジンに組み込まれるクランクシャフト１０において、前記エンジンが燃焼工程を営むと、図示しないピストンの往復動作は、図示しないコンロッドを介して第１クランクピン２０に伝達される。クランクジャーナル２２と第１クランクピン２０とは互いに異なる位置に偏芯しているために、当該ピストンの往復動作は前記第１クランクピン２０により回転運動に変換され、これがクランクシャフト１０のフロント側、ミッション側に伝わって、例えば、それぞれ走行に供せられたり、或いは冷却水の冷却に利用される如く、該回転運動は多様な用途に活用されることになる。
【００２７】
ところで、本発明者によれば、前記のような第１クランクピン２０の周囲隅角部において、エンジンの爆発荷重によってもたらされる動作により最も応力の集中が発生する恐れのある箇所は第１クランクピン２０の第１スラスト受け部４０の外周縁４０ａとクランクジャーナル２２の第２スラスト受け部４２の外周縁４２ａを結ぶ仮想線Ａの領域内であり、その領域内で所定範囲にわたって応力の集中が発生する。従って、この応力が集中される箇所を薄肉にすることによって、エンジンの爆発荷重がコンロッドを介して第１クランクピン２０に加わったとき、この薄肉の部位が撓み、その結果、応力分散を図ることが可能であると知見した。
【００２８】
一方、特許文献１に記載の従来技術によれば、最も応力の集中が発生するジャーナル１の軸芯近傍のバランスウエイト４は相当大きい肉厚に形成されているために、クランクピン３の隅角部に対する応力の集中は低減できない。
【００２９】
本発明によれば、まず第１クランクピン２０に伝達される爆発荷重は、クランクシャフト１０が回転体であるために、ピストンの往復動作による曲げ応力と捻り応力として第１クランクピン２０側へと負荷されるに至るが、この場合、第１クランクアーム１２に横断して設けられた薄肉部５０とともに平面１２ｂがクランクジャーナル２２の軸線Ｂの近傍まで延在しているために十分に応力分散が図られ、すなわち、薄肉部５０が撓むことによって、その応力が分散され、一箇所に集中することはない。従って、前記薄肉部５０の存在によって従来技術が欠点とされる応力の分散という課題が解決されるに至った。
【００３０】
なお、前記第１クランクアーム１２に連設される第１カウンターウエイト１６の肉抜き部６０は、軽量化に資するとともに、薄肉部５０から伝達される応力をさらに拡散させることができる効果が得られる。
【００３１】
ここで、薄肉部５０は第１クランクアーム１２を横断する円弧状の溝にすることによって、互いにこの薄肉部５０の両側から金型を差し込み鍛造する際に好適である。従って、この観点からすれば、図２において、薄肉部５０の上端部５０ａの両側が互いに上方へと緩やかに傾斜する形状であれば鍛造用金型の型抜きに好適である。これと同様に薄肉部５０の下端部５０ｂの両側が互いに下方へと緩やかに傾斜する形状であってもよく、また前記両側の緩やかな傾斜形状を前記上端部５０ａと下端部５０ｂの両者に設け、互いに離間するようにしてもよい。
【００３２】
なお、図５は、第１クランクアーム１２がカウンターウエイトを備えていない点で異なるのみである。この場合、前記第１の実施形態と同様に、薄肉部５０によって、ピストンの爆発による応力を分散している。
【００３３】
一方、図２や図４に示す構造に関連して、図示はしていないが、第１クランクアーム１２を横断する薄肉部５０に代えて、第１クランクピン２０の軸線Ｃとクランクジャーナル２２の軸線Ｂとを結ぶ直線上に該第１クランクアーム１２に応力分散用の薄肉部５０を部分的に設けてもよい。爆発応力が局部的に印加される箇所での応力分散に効果的である。
【００３４】
図６は、薄肉部５０についてその高さＨ及び深さＤの関係を示す一部省略正面説明図である。
【００３５】
図７は、クランクジャーナル２２の軸線Ｂから薄肉部５０の上端部５０ａに至るまでの高さＨを示す。この図７において、該グラフの右端は第１スラスト受け部４０の外周縁４０ａに薄肉部５０の上端部５０ａが接する位置にあることを示す。この高さＨは小さくなるに従って、曲げ応力が一端上昇した後大きくなる一方、捻り応力は安定して分散した後、急激に小さくなることを示している。前記上端部５０ａが第１スラスト受け部４０の外周縁４０ａに接すると最適である。
【００３６】
図８は、第１スラスト受け部４０の外周縁４０ａの平面４０ｂと薄肉部５０の下端部５０ｂとの平面１２ｂの距離、すなわち、互いに平行な平面間の距離を深さＤとして計測した結果である。深さＤが小であるほど捻り応力が大となるため、両方の応力が低下する値が好ましく、このために第１クランクアーム１２、第２クランクアーム１４の厚さに対し３０％程度の深さであることが最適である。
【００３７】
図９は、薄肉部５０の幅Ｗに関係する（図２参照）。図９において、グラフの左端は薄肉部５０のない場合を示し、その右端はクランクアームの全幅にわたって薄肉部５０のある場合を示している。クランクアームの全幅にわたって薄肉部５０を形成すると最適である。
【００３８】
以上、本発明について好適な実施の形態を挙げて説明したが、本発明はこの実施の形態に限定されるものでなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の改変が可能なことは言うまでもない。
【符号の説明】
【００３９】
１０…クランクシャフト                １２…第１クランクアーム
１４…第２クランクアーム              １６…第１カウンターウエイト
１８…第２カウンターウエイト          ２０…第１クランクピン
２２…クランクジャーナル              ４０…第１スラスト受け部
４２…第２スラスト受け部              ５０…薄肉部
６０…肉抜き部
【図１】
2010255834.tif 000003
【図２】
2010255834.tif 000004
【図３】
2010255834.tif 000005
【図４】
2010255834.tif 000006
【図５】
2010255834.tif 000007
【図６】
2010255834.tif 000008
【図７】
2010255834.tif 000009
【図８】
2010255834.tif 000010
【図９】
2010255834.tif 000011